Pelajari Tentang Konduktivitas Termal Grafit

Grafit adalah bahan karbon berprofil tinggi dalam ilmu material, dengan sifat unik yang memainkan peran penting dalam berbagai industri. Karakteristik konduktivitas termalnya menentukan pembuangan panas, manajemen termal, dan aplikasi lainnya. Dan memberikan dukungan yang kuat untuk pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi modern.

Struktur grafit dan dasar konduktivitas termal

Struktur kristal grafit

Grafit memiliki struktur kristal berlapis yang khas, dan setiap lapisan dihubungkan oleh ikatan kovalen di antara atom karbon untuk membentuk struktur jaringan planar segi enam beraturan. Ikatan kovalen dalam bidang ini membuat daya ikat di antara atom karbon menjadi sangat kuat. Dan atom-atomnya tersusun rapat dan teratur. Lapisan-lapisan berinteraksi satu sama lain melalui gaya van der Waals yang lebih lemah. Gaya yang lemah ini membuatnya relatif mudah untuk meluncur di antara lapisan. Ikatan kovalen yang kuat dalam lapisan menyediakan saluran yang efisien untuk konduksi panas. Sementara gaya van der Waals antara lapisan menghalangi konduksi panas sampai batas tertentu. Jadi, konduktivitas termal grafit menunjukkan anisotropi yang jelas.

Konsep dasar konduktivitas termal

Konduktivitas termal, dinyatakan dalam W/(m-K), mengacu pada panas yang melewati satu unit area vertikal dalam satu unit waktu pada satu unit gradien suhu. Makna fisiknya adalah mengukur kemampuan suatu bahan untuk menghantarkan panas. Dan, semakin tinggi konduktivitas termal, semakin mudah bagi bahan untuk menghantarkan panas. Dalam aplikasi praktis, konduktivitas termal sangat penting untuk pemilihan dan desain bahan. Seperti pada sistem pembuangan panas, yang membutuhkan bahan dengan konduktivitas termal tinggi untuk mentransfer panas dengan cepat.

Karakteristik konduktivitas termal grafit

Perbedaan konduktivitas termal pada arah yang berbeda

Pada grafit, konduktivitas termal di dalam bidang (di dalam lapisan bidang atom karbon) jauh lebih tinggi daripada konduktivitas termal di antara bidang (di antara lapisan). Pada suhu kamar, konduktivitas termal di dalam permukaan bisa mencapai 1500-2000W / (m-K). Sedangkan konduktivitas termal antar-permukaan hanya 5-10W/(m-K). Hal ini karena atom karbon di dalam lapisan dihubungkan oleh ikatan kovalen yang kuat. Dan fonon (kuanta energi getaran kisi) dapat merambat secara efisien dalam struktur yang teratur ini, membawa panas dengan cepat. Namun, tergantung pada gaya van der Waals yang lemah di antara lapisan, fonon akan memiliki hamburan yang kuat di seluruh lapisan. Hal ini sangat menghambat transfer panas dan membuat konduktivitas termal antar-permukaan menjadi sangat rendah. Konduktivitas termal anisotropik ini membuatnya perlu untuk mempertimbangkan sepenuhnya arahnya dalam penerapan grafit. Untuk memainkan sifat konduksi panas terbaik.

Perbandingan konduktivitas termal dengan bahan lain

Dari perbandingan tabel, dapat dilihat bahwa konduktivitas termal internal grafit jauh lebih tinggi daripada logam biasa, seperti aluminium dan tembaga. Dan secara langsung dipaksakan oleh berlian dengan konduktivitas termal yang sangat tinggi. Dibandingkan dengan baja tahan karat, ia memiliki keunggulan yang signifikan, bahkan jika dibandingkan dengan logam perak konduktivitas tinggi, ia tidak kalah. Dalam menghadapi persyaratan pembuangan panas yang keras, karakteristik anisotropiknya dapat secara efisien menghantarkan panas ke arah tertentu. Menjadikannya bahan yang sangat kompetitif. Sebaliknya, untuk bahan dengan konduktivitas termal rendah seperti keramikkaret dan plastik, grafit memiliki keunggulan penuh. Dan memiliki potensi aplikasi yang besar di bidang pembuangan panas dan manajemen termal.

Faktor-faktor yang mempengaruhi konduktivitas termal grafit

Cacat kristal

Cacat titik (kekosongan, atom interstisial) dan cacat garis (dislokasi) pada grafit secara signifikan mempengaruhi konduktivitas termal. Cacat titik merusak susunan atom, meningkatkan hamburan fonon, menghalangi konduksi panas, seperti kekosongan, kehilangan energi perambatan fonon. Ketika kerapatan dislokasi tinggi, hamburan fonon meningkat dan konduktivitas termal menurun secara signifikan. Konsentrasi cacat berkorelasi negatif dengan konduktivitas termal.

Kandungan pengotor

Kotoran mempengaruhi konduktivitas termal grafit. Pengotor logam (besi, nikel) dan non-logam (silikon, oksigen) yang umum merusak struktur kristal dan mengganggu perambatan fonon. Karena ukuran atom dan sifat kimianya berbeda dari atom karbon. Interaksinya dengan atom karbon menyebabkan distorsi kisi, membentuk pusat hamburan, memperpendek jalur bebas rata-rata fonon, mengurangi konduktivitas termal. Dan mengontrol pengotor untuk mengoptimalkan konduktivitas termal.

Perubahan suhu

Pengaruh suhu pada konduktivitas termal sangat kompleks. Pada suhu rendah, energi fonon dan jalur bebas rata-rata meningkat dan konduktivitas termal meningkat seiring dengan peningkatan suhu. Ketika suhu terlalu tinggi, interaksi fonon-fonon ditingkatkan, hamburan diintensifkan. Jalur bebas rata-rata fonon berkurang, dan konduktivitas termal menurun. Konduktivitas termal internal menurun secara perlahan pada suhu tinggi, dan konduktivitas termal antarmuka lebih sensitif terhadap perubahan suhu.

Penerapan konduktivitas termal grafit

Chip elektronik

Dengan peningkatan integrasi chip yang terus menerus, panas yang dihasilkan oleh chip selama pengoperasian meningkat tajam. Karena konduktivitas termal dalam bidangnya yang tinggi, Anda dapat secara luas menggunakan grafit dalam solusi pembuangan panas untuk chip. Dengan menambahkan bahan grafit di antara chip dan perangkat pembuangan panas, panas yang dihasilkan oleh chip dapat dengan cepat disalurkan. Hal ini secara efektif mengurangi suhu chip, meningkatkan performa dan stabilitas chip. Dan juga memperpanjang masa pakai chip.

Pendingin grafit

Pendingin grafit adalah aplikasi khas yang menggunakan karakteristik konduktivitas termal grafit. Grafit ini tipis, dapat ditekuk, dan sangat konduktif secara termal. Dan Anda dapat menyesuaikannya untuk berbagai bentuk perangkat elektronik agar sesuai dengan permukaan elemen pemanas. Misalnya, pada perangkat seluler seperti smartphone dan tablet, heat sink grafit dapat dengan cepat menyebarkan panas yang dihasilkan oleh komponen pemanas. Seperti prosesor ke seluruh rumah perangkat. Mencapai pembuangan panas yang efisien dan memastikan bahwa perangkat tidak akan mengalami penurunan kinerja atau kegagalan karena panas berlebih selama penggunaan jangka panjang.

Baterai lithium-ion

Pada baterai lithium-ion, manajemen termal sangat penting. Sebagai komponen penting dari bahan elektroda baterai, konduktivitas termal grafit memiliki efek penting pada performa dan keamanan baterai. Itu... elektroda grafit dengan konduktivitas termal yang tinggi membantu membuang panas secara merata selama pengisian dan pengosongan baterai. Menghindari panas berlebih lokal yang menyebabkan pelemahan kapasitas baterai, memperpendek masa pakai, dan bahkan masalah keamanan. Pada saat yang sama, dalam desain kemasan baterai, penggunaan bahan manajemen termal berbasis grafit dapat secara efektif meningkatkan stabilitas termal keseluruhan kemasan baterai. Kemudian meningkatkan efisiensi pengisian dan pengosongan serta masa pakai baterai.

Penukar panas grafit

Karena konduktivitas termal yang sangat baik dan ketahanan kimia yang tinggi, penukar panas grafit terutama digunakan dalam aplikasi industri yang membutuhkan pemanasan atau pendinginan cairan yang sangat korosif. Mereka sering digunakan dalam pemrosesan kimia, farmasi, dan produksi bahan kimia seperti klorin, fluorida, dan titanium dioksida. Misalnya, bahan kimia yang sangat korosif seperti asam, alkali, dan klorida ditangani dalam proses seperti elektrolisis klor-alkali, produksi petrokimia, dan pembuatan asam kloroasetat.

Bidang Kedirgantaraan

Di bidang kedirgantaraan, peralatan harus bekerja di lingkungan yang ekstrem, yang membutuhkan sifat termal bahan yang sangat tinggi. Anda dapat menggunakan bahan grafit dalam pembuatan sistem kontrol termal untuk komponen ruang angkasa. Karena kekuatan spesifiknya yang tinggi, kepadatannya yang rendah, dan konduktivitas termalnya yang sangat baik. Sebagai contoh, Anda dapat menggunakan komposit grafit dalam kompartemen peralatan elektronik satelit. Untuk menghantarkan dan membuang panas yang dihasilkan oleh peralatan. Memastikan bahwa peralatan dapat beroperasi secara normal di lingkungan suhu tinggi dan rendah di luar angkasa. Selain itu, Anda juga dapat menggunakannya untuk membuat bagian terdepan dari sayap pesawat terbang, komponen mesin, nosel grafit dll.. Ini memastikan pengoperasian normal komponen utama di lingkungan bersuhu tinggi dan memastikan keselamatan penerbangan.

Kesimpulan

Struktur kristal grafit yang unik membuat konduktivitas termalnya bersifat anisotropik, yang memiliki keunggulan nyata dibandingkan bahan lainnya. Dan Anda dapat menggunakannya secara luas di banyak bidang. Mengoptimalkan performa dengan mengendalikan faktor yang berpengaruh diharapkan dapat membantu lebih banyak skenario manajemen termal seiring dengan kemajuan penelitian.